Zerspanen – Grundlagen, Verfahren und Qualitätsaspekte der spanenden Fertigung

Zerspanen in nahezu allen Bereichen der industriellen Fertigung unverzichtbar, unter anderem in den Bereichen Maschinenbau, Automobilindustrie oder auch Luft- und Raumfahrt. Als Experten in jeglichen Bereichen der CNC Bearbeitung kennen wir uns bestens mit diesem Thema aus und erläutern im folgenden Beitrag alle wichtigen Grundlagen und Verfahren zu diesem Thema.

Grundlagen des Zerspanens

Wie bereits erwähnt, ist Zerspanen ein Fertigungsverfahren gemäß DIN 8589, bei dem überschüssiges Material in Form von Spänen abgetragen wird, um die gewünschte Geometrie eines Werkstückes zu erzeugen. Es zählt zur Hauptgruppe "Trennen" in der Fertigungstechnik. Das Grundprinzip ist hier also ein Werkstück, das durch ein Werkzeug mit einer scharfen Schneide bearbeitet wird. Die Späne, die dabei entstehen, gelten als Abfallprodukt. Im Gegensatz zu anderen Fertigungsverfahren, wie beispielsweise dem Gießen oder dem Umformen, ist das Zerspanen in der Regel ein Nachbearbeitungsschritt, um mehr Präzision zu erreichen.

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Das Ziel des Zerspanens ist es demnach, eine besonders hohe Maßgenauigkeit zu erreichen (Toleranzen im µm-Bereich möglich) und definierte Oberflächenqualitäten zu erreichen. Deshalb ist das Fertigungsverfahren besonders wichtig, wenn es darum geht, komplexe, geometrisch präzise Bauteile herzustellen. Werkstoffe, die häufig zerspant werden sind Metalle (Stahl, Aluminium, Titan, Kupferlegierungen etc.), Kunststoffe (z. B. POM, PE, PTFE), Verbundwerkstoffe (z. B. CFK) oder auch Sondermaterialien wie Keramiken mit speziellen Schneidstoffen.

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Zerspanungsverfahren im Überblick

Zerspanungsverfahren werden nach der Art der Hauptbewegung und dem Werkzeug-Einsatz unterschieden. Die Klassifikation erfolgt gemäß DIN 8589 in verschiedene Verfahren mit untergeordneten Prozessen.

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Drehen

Beim Drehen rotiert das Werkstück und das Werkzeug bewegt sich linear. Es wird in der Regel angewendet, um rotationssymmetrische Teile, zum Beispiel Wellen oder Buchsen, herzustellen. Verschiedene Varianten des Drehens umfassen das Längsdrehen, Plandrehen, Profildrehen und Gewindedrehen. In der heutigen Zeit wird dieses Verfahren des Zerspanens hochautomatisiert mit CNC-Drehmaschinen durchgeführt und dementsprechend als CNC Drehen bezeichnet.

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Fräsen

Bei diesem Verfahren des Zerspanens rotiert das Werkzeug, während das Werkstück eine Vorschubbewegung ausführt. Fräsen, insbesondere CNC Fräsen, ist sehr flexibel, weshalb es sich auch für komplexe 3D-Konturen eignet. Anwendung findet es bei der Herstellung von Gehäusen, Formen, bei der Flächenbearbeitung oder beim Taschenfräsen. Varianten des Fräsens sind das Planfräsen, das Umfangsfräsen und das 5-Achs-Fräsen.

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Bohren

Wie bei allen anderen Verfahren des Zerspanens kommen inzwischen auch beim Bohren moderne CNC-Maschinen zum Einsatz. Hier wird das Werkzeug in axialer Richtung in das ruhende Werkstück vorgeschoben. Es handelt sich dabei um ein Grundverfahren für das Erzeugen zylindrischer Löcher, wobei Nachbearbeitungen häufig durch Reiben oder Senken realisiert werden. Varianten des Bohrens sind das Spiralbohren, Zentrierbohren, Tiefbohren und Kernbohren.

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Schleifen

Beim Schleifen wird mit einer geometrisch unbestimmten Schneide (Schleifkorn) gespant. Dadurch ist eine hohe Oberflächengüte und Maßgenauigkeit zu erreichen. Anwendung findet dieses Verfahren des Zerspanens bei der Hartbearbeitung, Endbearbeitung und beim Werkzeugschleifen. Varianten umfassen das Rundschleifen, Flachschleifen sowie Profilschleifen.

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Weitere Verfahren des Zerspanens

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• Reiben: Feinbearbeitung von Bohrungen zur Verbesserung der Toleranz

• Räumen: Spanen mit einem Werkzeug mit vielen Schneiden in einer Bewegung

• Sägen: Trennen von Werkstoffen mit geringer Genauigkeitsanforderung

• Feilen, Hobeln, Stoßen: Eher in der Einzel- oder Reparaturfertigung zu finden
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Die Auswahl des jeweiligen Zerspanungsverfahren hängt von der Geometrie des Werkstücks, dem verwendeten Werkstoff und den Toleranzanforderungen ab. Auch Stückzahl und Wirtschaftlichkeit spielen eine Rolle. Außerdem ist eine Kombination mehrerer Verfahren üblich (zum Beispiel Vorbohren und Reiben).

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Zerspanen – Werkzeuge und Maschinen

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Zerspanungswerkzeuge – Aufbau und Arten

Die Grundstruktur eines Werkzeugs zum Zerspanen besteht aus einem Schneidteil, also der aktiven Zone, in der es zur Spanbildung kommt. Des Weiteren verfügt das Werkzeug über einen Schaft bzw. Halter zur Befestigung an der Maschine. Zur Erhöhung von Standzeit und Hitzebeständigkeit wird es außerdem beschichtet, zum Beispiel mit TiN oder TiAIN.

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Werkzeugarten zum Zerspanen:

• Einzahnwerkzeuge: z. B. Drehmeißel, Bohrer

• Mehrzahnwerkzeuge: z. B. Fräser, Räumnadel, Sägeblätter

• Geometrisch bestimmte Schneide: z. B. beim Drehen, Fräsen

• Geometrisch unbestimmte Schneide: z. B. beim Schleifen
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Schneidstoffe, die beim Zerspanen verwendet werden:

• Schnellarbeitsstahl (HSS): Eignet sich für einfache Anwendungen

• Hartmetall: Verfügt über hohe Standzeiten und gilt als Standard im industriellen Einsatz

• Cermet, Keramik, Bornitrid (CBN), Diamant: Wird bei Hochleistungs- und Spezialanwendungen eingesetzt
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Werkzeugmaschinen – Typen und Merkmale

In der heutigen Zeit kommen beim Zerspanen hauptsächlich CNC-Maschinen zum Einsatz. Diese müssen nicht manuell bedient werden, sondern werden über einen Computer mechanisch gesteuert. Die hohe Wiederholgenauigkeit, die dadurch beim Zerspanen möglich ist, macht CNC-Maschinen ideal für Serienfertigungen. Für komplexe Geometrien stehen dabei sowohl 3-Achs-Maschinen als auch 5-Achs-Maschinen zur Verfügung.

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Typische Maschinentypen zum Zerspanen:

• Drehmaschinen: Werden für die Bearbeitung rotationssymmetrischer Teile eingesetzt

• Fräsmaschinen: Werden für die Bearbeitung prismatischer Werkstücke eingesetzt

• Bohrwerke: Werden für große und schwere Teile verwendet

• Bearbeitungszentren: Sind multifunktionale Maschinen, die zum Beispiel für das Fräsen und Bohren verwendet werden

• Schleifmaschinen: Bieten hohe Präzision für Finish-Bearbeitungen

Automatisierung und Digitalisierung beim Zerspanen

Dank CNC-Maschinen muss das Zerspanen heutzutage nicht mehr manuell vonstattengehen. Es gibt Werkzeugwechsler, die einen automatischen Wechsel von Werkzeugen im laufenden Prozess durchführen. Dadurch kommt es nicht zum Stillstand und die Produktivität wird maßgeblich erhöht. Sensoren an der CNC-Maschine erfassen Temperatur, Vibration und Werkzeugverschleiß und tragen so einen wichtigen Teil zur Sicherheit und zur Prozessüberwachung bei. Die CAM-Software erzeugt aus CAD-Daten die Maschinenbefehle, wodurch diese weiß, welche Bewegungen sie durchführen muss.

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Dank der Industrie 4.0-Vernetzung wird die Produktion außerdem immer intelligenter, flexibler und effizienter, denn Maschinen, Anlagen, Sensorik und Softwaresysteme sind alle über ein Netzwerk verbunden und können so miteinander kommunizieren.

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Beispiel aus der Praxis:

Ein modernes Bearbeitungszentrum:

• erkennt anhand eines Werkzeugsensors, dass der Fräser überhitzt.

• meldet dies automatisch an das MES-System.

• das MES schlägt einen optimierten Vorschubwert vor.

• das Werkzeug wird automatisch ersetzt, bevor es bricht.

• der Bediener erhält eine Nachricht auf dem Tablet.

• Produktionsdaten werden in der Cloud gespeichert und in Echtzeit analysiert.
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Einflussfaktoren auf den Zerspanungsprozess

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1.Werkstückmaterial

Unterschiedliche Materialien stellen beim Zerspanen unterschiedliche Anforderungen an Werkzeuge und Schnittparameter. Hier ein kurzer Überblick:

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• Stahl: gute Zerspanbarkeit, aber hohe Schnittkräfte.

• Aluminium: leicht zerspanbar, aber Gefahr von Aufbauschneiden (Materialanhaftungen an der Schneidkante des Werkzeugs).

• Titan: hohe Festigkeit, aber schlechte Wärmeleitung und demnach hohe Werkzeugbelastung.

• GFK (Glasfaserverstärkter Kunststoff) / CFK (Carbonfaserverstärkter Kunststoff): abrasiv, weshalb diamantbeschichtete Werkzeuge erforderlich sind.
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Die Härte, Zähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Mikrostruktur des Materials beeinflussen beim Zerspanen die Spanbildung, den Werkzeugverschleiß und die Kühlmittelwahl.

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2.Werkzeugauswahl und -zustand

Die Auswahl des passenden Werkzeugs bezieht sich immer auf das jeweilig zu zerspanende Material und die Form, die hergestellt werden soll. Schneidstoff und Beschichtung des Werkzeugs entscheiden dabei über Verschleißfestigkeit, Standzeit und Hitzebeständigkeit. Die Geometrie, also ob Spanwinkel, Freiwinkel oder Schneidkantenpräparation, beeinflussen Spanfluss und Oberflächenqualität.

Auch der Zustand der Werkzeuge spielt eine wichtige Rolle. Sind diese stumpf erzeugen sie unnötig Hitze, schlechte Maßhaltigkeit und höhere Bearbeitungskräfte.

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3.Schnittparameter

Auch die Schnittparameter müssen beim Zerspanen optimal zusammenspielen. Nur so können Prozessstabilität, die Minimierung von Werkzeugkosten und die Maximierung der Produktivität gewährleistet werden. Die Schnittparameter bestehen aus:

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• Schnittgeschwindigkeit (Vc): bestimmt Produktivität und thermische Belastung.

• Vorschub (f): beeinflusst Spanungsdicke, Oberflächengüte und Schnittkraft.

• Schnitttiefe (ap): beeinflusst Abtragvolumen und Belastung von Werkzeug und Maschine.
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4.Kühlschmierstoffe (KSS)

Kühlschmierstoffe haben wichtige Aufgaben beim Zerspanen inne. Zum einen sorgen sie für Kühlung und reduzieren so die thermische Belastung. Dank ihrer Schmierung verringern sie außerdem Reibung und Verschleiß. Zusätzlich spülen Kühlschmierstoffe die Späne aktiv aus der Schnittzone und verhindern, dass sich Späne stauen oder verklemmen. Das wiederum verhindert die Beschädigung des Werkstücks. Arten von KSS sind zum Beispiel Öle, Emulsionen oder Minimalmengenschmierung (MMS). Die Wahl des passenden Kühlschmierstoffes hängt vom Werkstoff, Bearbeitungsverfahren und von den Umwelt- bzw. Arbeitsanforderungen ab.

Beispiel: Beim Fräsen von Titan in der Luftfahrt wird meist ein vollsynthetischer Kühlschmierstoff mit hoher Kühlleistung gewählt, um Hitzeentwicklung zu begrenzen und die Gesundheit der Mitarbeitenden zu schützen.

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5.Maschinen- und Spanntechnik

Auch die Maschinen- und Spanntechnik spielt beim Zerspanen eine Rolle. So beeinflusst die Maschinensteifigkeit beispielsweise die Vibrationsneigung. Und das wiederum ist wichtig für die Maßhaltigkeit und die Oberflächengüte. Eine stabile und präzise Spannung verhindert außerdem Werkstückbewegung und Verformung. In der heutigen Zeit wird meistens auf moderne Spannsysteme wie Nullpunktspannsysteme zurückgegriffen. Diese verbessern die Wiederholgenauigkeit, die Rüstzeit und die Flexibilität bei Werkstückwechseln.

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Qualitätsaspekte und Toleranzen beim Zerspanen

Die Maßhaltigkeit beim Zerspanen gibt an, wie exakt ein Werkstückmaß dem Sollwert, also dem gewünschten Maß, das in der technischen Zeichnung oder der Konstruktionsvorgabe steht, entspricht. Ein Werkstück ist demnach maßhaltig, wenn sein Maß innerhalb der erlaubten Toleranzgrenzen liegt. Abweichungen können beispielsweise durch Werkzeugverschleiß, Temperaturausdehnung, Maschinenungenauigkeit oder falsche Schnittparameter entstehen.

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Toleranzen definieren, wie viel Abweichung vom Sollwert erlaubt ist, ohne dass das Werkteil unbrauchbar wird.

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Beispiel:

Sollwert: 10,00 mm

Toleranz: ± 0,02 mm

Erlaubte Maße: zwischen 9,98 mm und 10,02 mm

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Warum ist die Toleranz beim Zerspanen so wichtig? Ohne Toleranz müsste jedes Teil perfekt 10,00 mm sein – was in der Praxis nicht möglich ist. Toleranzen ermöglichen daher die Fertigung mit einem vertretbaren Aufwand, ohne die Funktion des Werkstücks zu gefährden. Je enger die Toleranz ist, desto höher ist der Fertigungs- und Prüfaufwand, aber die Maßhaltigkeit steigt.

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Form- und Lagetoleranzen

Formtoleranzen geben an, wie genau eine Form eingehalten werden muss – unabhängig von der Lage im Raum. Soll eine Welle beispielsweise rund sein, gibt es eine Rundheitstoleranz. Weitere Formtoleranzen sind Geradheit, Ebenheit oder Zylindrizität.

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Lagetoleranzen sagen aus, wie genau eine Fläche oder Achse zu einer anderen ausgerichtet sein muss. Beispiel: Zwei Bohrungen müssen parallel oder rechtwinklig zueinander liegen. Typische Lagetoleranzen sind Parallelität, Rechtwinkligkeit, Position und Koaxialität.

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Form- und Lagetoleranzen sind beim Zerspanen wichtig, damit die Bauteile im Anschluss genau zusammenpassen, zum Beispiel bei einer Passung, Führung oder Montage. Gibt es zu große Abweichungen, können die Teile wackeln oder klemmen, oder sie passen überhaupt nicht.

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Oberflächenqualität

Die Oberfläche eines Bauteils ist nicht ganz glatt, sie hat immer kleine Unebenheiten (Rauheit). Je nach Funktion muss die Oberfläche sehr grob (z. B. für Haftung) oder sehr glatt (z. B. für Dichtungen) sein. Um sicherzustellen, dass die gewünschte Oberflächenqualität erreicht wurde, kommen Messgeräte (Tastschnitt oder optisch) zum Einsatz. Diese Messung – auch im Hinblick auf Toleranzen und andere Qualitätsfaktoren – wird durch die In-Prozess-Messung und die Post-Prozess-Messung durchgeführt. Die In-Prozess-Messung findet direkt während des Zerspanens statt, weshalb hier Werkzeugkorrekturen in Echtzeit möglich sind. Die Post-Prozess-Messung wird erst nach der Fertigung zur Qualitätskontrolle durchgeführt.

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Die richtige Oberflächenqualität beim Zerspanen zu erreichen ist wichtig, um Reibung und Verschleiß des Werkteils zu minimieren, die Dichtheit von Flächen zu sichern und eine gute Optik und Haptik zu gewährleisten.

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Warum Qualität beim Zerspanen so entscheidend ist

Funktion, Lebensdauer und Sicherheit vieler Produkte hängen direkt von der Qualität der bearbeiteten Bauteile ab. Besonders kritisch ist das in sehr sensiblen und anspruchsvollen Branchen, wie beispielsweise der Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik. Mangelhafte Qualität beim Zerspanen kann zu Ausschuss, und dadurch höheren Kosten, Montageproblemen, Funktionsausfällen und Produkthaftung führen.

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Zerspanen – Fazit

Das Zerspanen ist ein unverzichtbarer Bestandteil der industriellen Fertigung, der eine bedeutende Rolle bei der Herstellung präziser und qualitativ hochwertiger Bauteile spielt. Durch den Einsatz modernster Techniken und Maschinen, wie zum Beispiel CNC-Dreh- und Fräsmaschinen, können selbst komplexe Geometrien effizient und mit hoher Maßgenauigkeit bearbeitet werden. Die richtige Auswahl und Anwendung von Werkzeugen, Schnittparametern und Kühlschmierstoffen ist dabei entscheidend, um den Prozess optimal zu gestalten und den Verschleiß zu minimieren. Qualität und Toleranzen sind ausschlaggebend, um eine zuverlässige Funktion und Langlebigkeit der gefertigten Produkte sicherzustellen. In hochsensiblen Industrien, wie der Medizintechnik oder der Luft- und Raumfahrt, sind die Anforderungen an die Werkstückqualität besonders hoch, was das Zerspanen zu einer anspruchsvollen Disziplin im Fertigungsbereich macht.

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